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Sauerstoffkonzentrations-Detektor
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Die Erfindung bezieht sich auf einen wasserdicht aufgebauten Sauerstoffkonzentrations-Detektor,
der die Sauerstoffkonzentration in Abgasen einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges
oder dergleichen feststellt,umdamit das Luft-Kraftstoffverhältnis des Luft-Kraftstoffgemisches
zu steuern, das der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
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Ein bekannter Sauerstoffkonzentrations-Detektor besitzt einen Sauerstoffkonzentrations-Sensor,
der aus einem Sauerstoffionen leitenden Metalloxid besteht, das als Trennwand wirkt,
deren eine Seite einer Atmosphäre als Rezugsgas ausgesetzt ist, während deren andere
Seite dem Abgas ausgesetzt ist, so daß durch den Sauerstoffkonzentrations-Sensor
eine elektromotorische Kraft in Abhängigkeit von dem Sauerstoffkonzentrations-Unterschied
der beiden Gase erzeugt wird, die an Elektroden abgenommen wird, die auf den beiden
Seiten der Trennwand angebracht sind. Da es notwendig ist, eine Seite des
Sauerstoffkonzentrations-Sensors
der Atmosphäre auszusetzen, ist auf diesem- ein Metallschutzrohr angebracht,in dem
eine öffnung ausgebildet ist, die eine Verbindung zur Atmosphäre herstellt. Durch
diese öffnung gelangt häufig Wasser, wie beispielsweise Regenwasser, auf die Atmosphärenseite
des Sauerstoffkonzentrations-Sensors. Daher kann dieser, falls er befeuchtet ist,
während er sich bei einer Messung in einem-Gas mit-hoher Temperatur wie beispielsweise
den Abgasen befindet, zerbrechen. Weiterhin können eine Zuleitung, die elektrisch
mit der Elektrode auf der Atmosphärenseite des Sauerstóffkonzentrations-Sensors
verbunden ist, und das Schutz rohr durch das Wasser kurzgeschlossen und/oder die
Isolation zwischen ihnen-zerbrochen werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sauerstoffkonzentrations-Detektor
zu schaffen, dessen Sauerstoffko-nzentrations-Sensor nicht zerbrechen kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Zuleitung
wasserdicht von einem Rohr umgeben ist, eine Rohröffnung an einer nicht befeuchtbaren
Stelle ausgebildet ist- und durch diese Rohröffnung die Seite des Sauerstoffkonzentratlons-Sensors
belüftb-ar ist, auf der eine Atmosphären-Elektrode angebracht ist,so daß selbst
dann, wenn der Sauerstoffkonzentrations-Detektor befeuchtet ist, kein Wasser zur
Atmosphärenseite des Sauerstoffkonzentrations-Sensors gelangen kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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Die- einzige Zeichnung zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Sauerstoffkonzentrations-Detektors.
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In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen becher- oder
schalenförmigen Sauerstoffkonzentrations-Sensor,
der aus einem Sauerstoffinnen
leitenden Metalloxid hergestellt ist, das aus einem Mischkristall mit einer Stoffmengenkonzentration
(Mol%) von 90% Zirkonoxid und 10% Yttriumoxid besteht. Auf der Innen- bzw. Außenoberfläche
des Sauerstoffkonzentrations-Sensors 1 sind eine erste bzw. eine zweite Elektrode
2 bzw. 3 die aus Platin bestehen, das eine kataLytische Wirkung besitzt, durch chemische
Plattierung, Vakuumaufdampfung (Verdampfung) oder Sintern einer Paste ausgebildet
oder aufgebracht. Auf der Außenoberfläche der zweiten Elektrode 3 ist eine hitzebeständige
und poröse Schicht 4, wie beispielsweise eine Aluminiumoxid-Schicht ausgebildet.
Das Bezugszeichen 5 bezeichnet ein aus hitzebeständigem Metall hergestelltes Gehäuse,
das außerhalb des Sauerstoffkonzentrations-Sensors 1 montiert ist. Zwischen dem
Gehäuse 5 und dem Oberteil des Sauerstoffkonzentrations-Sensors 1 sind elektrisch
leitendes Graphit 6, elektrisch leitende Ringe 7 und 8 sowie ein Ende eines Schutzrohres
9 angebracht,das aus elektrisch leitendem und hitzebeständigem Metall besteht. Auf
einem Flansch 9a an dem Ende des Schutzrohres 9 sind ein Abstandsring 10 aus elektrisch
leitendem Metall und ein Dichtring 11 angeordnet, die das bei dem Dichtring 11 nach
innen gebogene obere Ende des Gehäuses 5 so abdichten oder verkeilen , daß das Gehäuse
5 an dem Sauerstoffkonzentrations-Sensor 1 und das Ende des Schutzrohres 9 an dem
Gehäuse 5 fest angebracht sind. An dem Gehäuse 5 ist ein Flansch 12 befestigt, über
den das Gehäuse 5 an einer Abgasleitung (nicht gezeigt) befestigt werden kann. Das
Bezugszeichen 13 bezeichnet ein aus elektrisch leitendem Material hergestelltes
Rohr, das eine Mittenbohrung 13a besitzt und über elektrisch leitendes Graphit 14
an der Innenoberfläche des Sauerstoffkonzentrations-Sensors 1 befestigt ist. An
dem Oberteil des Rohres 13 ist ein Rohr 15 aus elektrisch leitendem Metall durch
Aufschweißen eines Flansches 15a daran angebracht; das Rohr 15 besitzt eine Mittenbohrung
15b. An dem anderen Ende des Schutzrohres 9 ist ein Isolator 16 aus Aluminiumoxid
befestigt; zwischen einer Ausnehmung 16a, die an einem Ende des Isolators 16 ausgebildet
ist, und dem Flansch 15a des Rohres 15 ist eine Feder 17 gelagert. Durch die Stellkraft
der Feder 17
wird das Rohr 13 zum Sauerstoffkonzentrations-Sensor
1 hingedrückt, so daß das Rohr 15 stabil befestigt ist, Das Bezugszeichen 18 bezeichnet
ein hitzebeständiges und wasserdichtes Rohr aus Silikonkautschuk' das dem anderen
Ende des Schutzrohres 9 aufgepaßt und daran durch ein Dichtteil 19 wasserdicht befestigt
ist. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet eine Zuleitung oder einen Zuleitungsdraht,
der an einen Anschluß 23 aus elektrisch leitendem Metall angeschweißt ist, der wiederum
an das Rohr 15 angeschweißt ist. Die Zuleitung 20 ist wasserdicht in dem Rohr 18
untergebracht. Die Zuleitung 20 ist elektrisch mit einem Anschluß 21 verbunden,
der mit einer nicht gezeigten Steuerschaltung verbunden ist.
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Eine Öffnung 18a des Rohres 18 ist nahe dem Anschluß 21 angebracht;
das flexible Rohr 18 führt durch den Boden eines kraftfahr'zeuc,s so zu dessen Fahrgastraum,
daß die Öffnung 18a des Rohres 18 in diesen mündet. Das Bezugszeichen 22 bezeichnet
-ein Schutzrohr mit einer Anzahl von Löchern 22a,das außerhalb des Sauerstoffkonzentrations-Sensors
1 angeordnet und an dem Unterteil des Gehäuses 5 befestigt ist. Die erste Elektrode
2 des Sauerstoffkonzentrations-Sensors 1 ist elektrisch über das Rohr 13, das Rohr
15 und die Zuleitung 20 mit dem Anschluß 21 verbunden; die zweite Elektrode 3 ist
elektrisch mit dem Gehäuse 5 und dem Schutzrohr 9 über das elektrisch leitende Graphit
und die elektrisch leitenden Ringe 7 sowie 8 Verbunden.
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Die Arbeitsweise des oben beschriebenen Aufbaus wird nachstehend
erläutert. Die Innenwand des Sauerstoffkonzentrations-Sensors 1, auf der die erste
Elektrode 2 ausgebildet ist, steht mit dem Fahrgastraum über die Öffnung 18a des
Rohres 18-, den Abstandsraum zwischen der Zuleitung 20 und dem Rohr 18, die Bohrung
15b des Rohres 15 und die Bohrung 13a des Rohres 13 in Verbindung, so daß sie völlig
in Kontakt mit der Atmosphäre ist. Da die Öffnung 18a des Rohres 18 an einer Stelle
angeordnet ist, die selbst dann nicht befeuchtet wird, falls der Detektor befeuchtet
ist, d.h. im Fahrgastraum des Kråftfahrzeugs,kann kein Wasser durch die Öffnung
18a des Rohres'18 auf die Innen-
seite des Sauerstoffkonzentrations-Sensors
1 gelangen. Da weiterhin das Rohr 18 hitzebeständig und wasserdicht ist, kann kein
Wasser das Rohr 18 durchdringen. Da außerdem das Schutzrohr 9 aus MetaLl besteht,
ein Ende desselben an dem Gehäuse 5 über den Abstandsring 10 sowie den Dichtring
11 und das andere Ende desselben an dem Isolator 16 befestigt ist, wodurch durch
die Befestigungsstrukturen an den entgegengesetzten Enden des Schutzrohres 9 ein
wasserdichter Aufbau ausgebildet ist, Enn kein Wasser auf die Innenseite des Sauerstoffkonzentrations-Sensors
1 gelangen. Somit arbeitet das Schutzrohr 9 auf ähnliche Weise wie das wasserdichte
Rohr 18.
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Während das Rohr 18 durch das Dichtteil 19 unter Druckverformung
an dem Isolator 16 befestigt ist und in dem dargestellten Ausführungsbeispiel nicht
abnehmbar ist,kann es auch abnehmbar montiert sein.
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Während weiterhin in dem dargestellten Ausfohrungsbeispiel die Zuleitung
20 elektrisch mit dem Rohr 15 über den Anschluß 23 verbunden ist, kann das Rohr
15 auch weggelassen werden,und die Zuleitung 20 kann elektrisch direkt mit dem.Rohr
13 verbunden werden.
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Während in dem dargestellten Ausführungsbeispiel das relativ lange
Rohr 15 verwendet wird, kann der Abschnitt des Rohres 15, der sich von der Ausnehmung
16a des Isolators 16 bis zu dem Flansch 15a erstreckt, auch weggelassen werden,
das Oberteil des Rohres 13 axial verlängert werden, auf dem Rohr 15.ein Flansch
so ausgebildet werden, daß er in die Ausnehmung 16a des Isolators 16 eingepaßt ist,
und eine Feder elastisch zwischen dem Flansch und dem verlängerten Oberteil des
Rohres 13 montiert werden.
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Weiterhin kann,-wenn das Abgas kein Gas mit einer relativ hohen Temperatur,
wie beispielsweise das Abgas einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs ist,
sondern ein Gas mit
einer relativ niedrigen Temperatur ist, das
Schutzrohr 9 weggelassen werden. In diesem Fall kann das Rohr 18 bis zu dem Oberteil
des Sauerstoffkonzentrations-Sensors 1 verlängert werden, so daß es auf das Oberteil
der Sauerstoffkonzentrations-Sensors 1 aufgepaßt ist.
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Weiterhin kann die öffnung 18a des Rohres 18, die in der dargestellten
Ausfühangsbeispiel in dem Fahrgastraum des Krastfahrzeu5s,der. nicht befeuchtbar
ist, angeordnet ist, auch an einer nicht befeuchtbaren Stelle innerhalb des Maschinenraums
angeordnet werden und braucht nicht in dem Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs angeordnet
zu sein.
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Weiterhin können,während in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
Platin als elektrisch leitendes Metall für die erste und die zweite Elektrode 2
bzw. 3 verwendet wird, andere Metalle mit katalytischer Wirkung, wie beispielsweise
Pd, Au, Ru, Ag oder eine Legierung derselben verwendet werden.
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Während in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Sauerstoffkonzentrations-Sensor
1 eine becherförmige Gestalt aufweist, wobei das eine Ende offen und das andere
geschlossen ist, kann er auch plattenförmig oder rohrförmig-sein Die Anwendung der
Erfindung ist nicht auf die Einrichtung-- begrenzt, die die Sauerstoffkonzentration
in den Abgasen einer Brennkraftmaschine erfaßt, damit das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
des Luft-Kraftstoffgemisches, das der Brennkraftmaschine zugeführt wird, festgestellt
wird, wie es in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist,
sondern die Erfindung kann auch als Einrichtung zum Bestimmen der Sauerstoffkonzentration
von Verbrennungsprodukten verwendet werden, die von einer Verbrennunaseinrichtung,
wie beispielsweise einem Gebläse- oder Hochofen oder einem Heizkessel usw. abgegeben
werden.Damit wird das Luft-Kraftstoffverhältnis des Luft-Kraftstoffgemisches festgestellt,
das der Verbrennungseinrichtung zugeführt wird (beispiels-
weise
zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades der Verbrennungseinrichtung).
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Wie zuvor im einzelnen beschrieben ist, kann erfindungsgemäß kein
Wasser auf die Innenseite des Sauerstoffkonzentrations-Sensors 1 über däs Rohr oder
die Öffnung des Rohres gelangen, selbst wenn der Sauerstoffkonzentrations-Detektor
befeuchtet ist, da die Zuleitung, wie beispielsweise ein Zuleitungsdraht, die elektrisch
mit der Atmosphärenelektrode des Sauerstoffkonzentrations-Sensors verbunden ist,
in dem Rohr wasserdicht untergebracht ist,und die Rohröffnung an einer nicht befeuchtbaren
Stelle angeordnet ist,so daß die Seite des Sauerstoffkonzentrations-Sensors,auf
der die Atmosphärenelektrode montiert ist, mit der nicht befeuchtbaren Stelle über
die Rohröffnung verbunden ist. Dementsprechend ist das Problem, daß der Sauerstoffkonzentrations-Sensor
durch das Eindringen von Wasser zerbrechen kann, welches bei dem herkömmlichen Detektor
auftrat, durch die Erfindung gelöst.
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Zusammengefaßt bezieht sich die Erfindung auf einen wasserdicht aufgebauten
Sauerstoffkonzentrations-Detektor, der ein Sauerstoffionen leitendes Metalloxid
besitzt, das in Abhängigkeit von einem Unterschied zwischen der Sauerstoffkonzentration
in einer saskomponente eines Meßgases, wie beispielsweise der Abgase der Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs und der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre eine elektromotorische
Kraft erzeugt. Der Aufbau besitzt ein koaxial angeordnetes inneres Rohr und ein
äußeres Rohr, wobei das innere Rohr in dem äußeren Rohr untergebracht ist und eine
wasserdichte Struktur zwischen den beiden angeordnet ist. Das innere Rohr bildet'eine
Zuleitung, die elektrisch mit derjenigen der zwei Elektroden für die ADnahme der
elektromotorischen kraft verbunden ist, die der Atmosphäre ausgesetzt ist, das äußere
Rohr dient dazu, diese Elektrode über das innere Rohr an einer nicht befeuchtbaren
Stelle der Atmosphäre auszusetzen.